EP1018774A1 - Procédé de purge de circuit de gaz de pile à combustible, et dispositif de mise en oeuvre de ce procédé - Google Patents

Procédé de purge de circuit de gaz de pile à combustible, et dispositif de mise en oeuvre de ce procédé Download PDF

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EP1018774A1
EP1018774A1 EP99403219A EP99403219A EP1018774A1 EP 1018774 A1 EP1018774 A1 EP 1018774A1 EP 99403219 A EP99403219 A EP 99403219A EP 99403219 A EP99403219 A EP 99403219A EP 1018774 A1 EP1018774 A1 EP 1018774A1
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capacity
battery
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cell
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the invention relates to a method for purging circuits. gas from fuel cells, intended to evacuate these circuits, the liquid water that could be there, as well as unused or other gases than the one the circuit is intended to channel, for example nitrogen in the circuits intended for circulation hydrogen from hydrogen-air cells; it also concerns a device for implementing this process.
  • recirculation suffers disadvantages: one is that a recirculator is a complex rotating machine, subject to delicate operation (possible presence of water in the state liquid resulting from condensation); another downside is that continuous circulation does not always allow to completely eliminate the water in the liquid state from the cells, because the gas movement created is not always sufficient brutal.
  • the invention aims to create brutal purges (i.e. with a relatively low pressure drop important and fast), while limiting as much as it is possible gas losses from the purged circuit, for example losses of hydrogen in the hydrogen circuits, and oxygen losses in the oxygen circuits.
  • the invention relates to a purging process of a fuel cell gas circuit into which we introduce at least one gas from a gas supply to a gas circuit inlet of the cell and we evacuate residual products at a discharge or purge outlet cell gas circuit, process by which regular intervals or not, by the exit, at least of water in the liquid state found in the gas circuit, characterized in that, the battery being connected to a capacitor by at least connecting means connecting the outlet of the stack at a capacity input, and gas pressures in reference regions of the stack and of the capacity being momentarily approximately equal, the gas pressure in the cell and in the capacity is reduced, then we establish, from gas coming from power, a fast growing gas stream by connecting means, from battery to capacity, to simultaneously transport liquid water contained in the stack, in the capacity.
  • the invention also relates to a device which has a fuel cell with at least two gas circuits at least one of which has an inlet for gas circuit connected by an input circuit to a supply in gas and a circuit discharge or purge outlet gas, and a capacity with an input connected to the output of the stack by connecting means.
  • the figures show a fuel cell 1, having a gas circuit inlet 11 through which a gas allowing the functioning of the battery and coming a gas supply (not shown) is introduced therein, and an outlet 12 for discharging gas or purge by which a possible residual part of gas that has not been used, as well as liquid water that have passed through the cell membrane, are discharged, this possible residual gas and this water constituting obstacles the free circulation of new gas.
  • the gas circuit is a hydrogen circuit, and we can have, as residual gases, hydrogen, and as we will see nitrogen.
  • the output 12 of the battery 1 is connected to an input with a capacity 2 whose volume is the order of that of the anode compartment of the battery, by connecting means 3 comprising a conduit 30.
  • connecting means 3 comprising a conduit 30.
  • the value P being higher than atmospheric pressure
  • the value pressure for which the gas current is established is approximately equal to atmospheric pressure
  • the connecting means 3 comprise an outlet pipe 30 but no outlet valve, because the pressure drops of the input circuit 4 comprising the inlet valve 41 are assumed to be low enough to do not set limits on gas transfers.
  • the gas supply is interrupted the inlet of the pile and for this we close the inlet valve 41, we wait as in FIG. 1 until the pressure decrease in ⁇ P in cell 1 and in capacity 2, and we recharge the battery and for that we open the valve inlet 41, causing a flow of growing gas fast to stack, in stack, and from stack to capacity, carrying water from the pile.
  • a buffer capacity 42 can alternatively be arranged in this circuit, upstream of the inlet valve 41 (in lines interrupted in Figure 2), to store new gas in predetermined quantity and pressure.
  • the frequency of purges of the cell 1 is only limited by the speed of the consumption of gas in the cell.
  • the turbulence created by the sudden movements of the gas can improve operation in the presence of nitrogen.
  • the presence of the capacity 2 makes it possible to limit the losses of hydrogen, because to purge the nitrogen, the valve 31 separating the capacity 2 and the cell 1 is closed, and the capacity 2 is opened towards the outside, which evacuates part of the hydrogen-depleted mixture therein (one-third for operation at 1.5 bars); when returning to normal operating conditions, the hydrogen level in the anode part is increased, and part of the depleted mixture is replaced by new hydrogen (1/6 th here).
  • connection means 3 comprise again an outlet pipe 30 and an outlet valve 31 interposed in this conduit; in addition, capacity 2 has an output 22 connected by a return circuit 5 to battery 1, in order to reinject the hydrogen contained in the capacity, instead of draining it of capacity by means of the purge member 21 which then serves only to evacuate water and nitrogen; to this end, the return circuit 5 comprises a pump 50 interposed in a conduit 51 of the circuit back connecting the capacity output here to the circuit input 4; a purge member 52 is also connected to the pump outlet 50.
  • the device shown in this figure 3 allows perform violent and regular purges while handing over the hydrogen in circulation since we decrease the pressure in capacity 2 by means of pump 50 by which the hydrogen contained in the capacity is reinjected, for example upstream of stack 1 (in the immediate vicinity of entry 11 or more upstream), or even downstream of the stack but upstream of the outlet valve 31 (broken line in FIG. 3), the hydrogen then being reintroduced into the battery via output 12 thereof.
  • This device and this process allowing recirculation of hydrogen require the maintenance of a pump.
  • this solution has the advantage, compared to the prior art using a circulator, that the pump does not have to circulate large quantities of hydrogen under a low ⁇ P, but simply to do drop the pressure in the capacity in the interval of time between two purges.
  • the flow rate is 6 Nl / min, and can thus be ensured by a miniature pump of a few watts.
  • the devices of Figures 1, 2 and 3 require purge capacity to remove nitrogen and various impurities ; they can be fitted, so as not to reinject into the stack as hydrogen and purge the impurities with minimum loss of this gas, means of purification by example with palladium, organic membrane or molecular sieve.
  • the connecting means 3 comprise an outlet pipe 30 and an outlet valve 31 of the three-way type.
  • Capacity 2 is equipped with a separation 23 here with membrane to recover the hydrogen present in this one.
  • the output of this device 23 is connected by a return circuit 5 comprising a conduit 51 to a second inlet (third channel) of valve 31.
  • the device also includes an inlet valve 41 in its circuit inlet 4, and a purge member 21 for the capacity, such as a valve.
  • Figure 5 showing a device which is a development of that of figure 2, where the means of connection include an outlet conduit 30 but no outlet valve; indeed, the outlet valve is replaced here by a main valve 32 whose passing direction goes from battery 1 to capacity 2, and a return circuit 5 includes a return valve 52 for pumping hydrogen which connects the separation device 23 upstream of the main valve 32 with a passing direction going from this apparatus 23 towards upstream.
  • the pumping valve 52 of hydrogen opens and allows the transfer of hydrogen from the battery capacity, which decreases the pressure in the capacity ; when there is no more hydrogen in the capacity, the pressure still drops in the stack, but can no longer drop in capacity; if the capacity is purged, the valve main 32 does not open as the battery remains at a pressure lower than the capacity; after we have the purge member 21 is closed, the inlet valve 41 is opened, and so we establish the purge gas flow as in the case of figure 2.
  • the means of connection 3 also include an outlet conduit 30 and an outlet valve 31 interposed in this conduit;
  • the capacity 2 is provided with a hydrogen separation device 23, membrane; it is this device 23 which is connected by a circuit return 5 to input 11 of the battery or to the circuit inlet 4, or upstream of the outlet valve 31 (in dashed line in Figure 6) in order to reinject into the pile up the hydrogen contained in the capacity, the return circuit 5 comprising a pump 50 incorporated in the conduit return 51 as described in FIG. 3.
  • FIG. 7 shows a device which is also a variant of the device of Figure 1; we so again has an outlet valve 31 between the stack and the capacity, a purge member 21 for capacity, and a inlet valve 41, in the same assembly; simply, the conventional inlet valve 41 is replaced by a three-way valve including the second inlet (third way) is connected by a return circuit 5 comprising a conduit 51, at output 22 of the capacity.
  • the inlet valve 41 connects the hydrogen fuel cell; when the time comes, we reverse the position of the inlet valve and so we decrease the pressure in the capacity by transferring gas from it in the pile; then we close the outlet valve 31 if it was open; when the pressure in the capacity went down to the chosen value, we reverse the position of the inlet valve 41 to put the battery back into communication with the gas supply, and we open the outlet valve 31 and so a fast growing gas stream is established carrying water from the stack to capacity; after what the outlet valve 31 is closed to isolate the battery and the capacity, if these are the operating conditions normal.
  • curve A represents the voltage delivered by the battery as a function of time when we do not purge this pile, tension whose speed of decrease is feature
  • curve B represents the voltage for a identical battery whose hydrogen circuit is purged all the five minutes, according to the previous method, losing hydrogen at each purge
  • curve C represents the voltage for an identical battery whose circuit is purged of hydrogen using the device method according to the invention illustrated by FIG. 1. This last curve illustrates perfectly the constancy of performances in the time of a battery thus purged according to the invention.

Abstract

A une pile (1) à combustible, dans laquelle est introduit un gaz par une entrée (il) de gaz et de laquelle sont évacués des produits résiduels par une sortie (12), est associée une capacité (2) reliée à la pile par des moyens de liaison (3) ; par intervalles, les pressions de gaz dans la pile et la capacité étant amenées à être approximativement égales, la pression de gaz au moins dans la capacité est diminuée par transfert d'une partie du gaz dans la pile (1) ; puis, un courant de gaz à croissance rapide est établi, en passant par les moyens de liaison (3), de la pile à la capacité, pour transporter simultanément de l'eau à l'état liquide contenue dans la pile, dans la capacité.
Utilisation : Amélioration de la constance des performances des piles à combustible.

Description

L'invention concerne un procédé de purge des circuits de gaz des piles à combustible, destiné à évacuer de ces circuits, l'eau à l'état liquide qui pourrait s'y trouver, ainsi éventuellement que les gaz inutilisés ou autres que celui que le circuit est destiné à canaliser, par exemple de l'azote dans les circuits destinés à la circulation d'hydrogène des piles hydrogène-air ; elle concerne également un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé.
Dans les piles à combustible actuelles à l'anode desquelles de l'hydrogène est consommé, une partie de l'eau produite côté cathode de la pile passe à travers la membrane et vient s'accumuler dans le compartiment destiné à l'hydrogène. Afin de chasser cette eau, il est nécessaire de procéder régulièrement à des purges du circuit d'hydrogène. La fréquence des purges nécessaires dépend beaucoup de la pile, et est de l'ordre de quelques secondes à quelques minutes. En l'absence de purge, on peut constater une dégradation progressive des performances de la pile. Les purges permettent de retrouver approximativement les performances initiales ; elles permettent de plus d'éliminer l'azote qui se concentre dans le compartiment pour l'hydrogène en diffusant à travers la membrane, ainsi que les éventuelles impuretés présentes dans l'hydrogène.
Actuellement, les purges du circuit d'hydrogène des piles à combustible sont effectuées vers l'extérieur, et il en résulte une perte d'hydrogène ; pour limiter cette perte, il est courant de limiter le débit à la sortie de la pile ; il ne faut cependant pas trop limiter ce débit, car les purges perdent de leur efficacité si le débit d'hydrogène à la sortie n'est pas suffisant ; les pertes totales d'hydrogène ne pouvant être réduites au dessous de quelques pour cent, cela diminue d'autant le rendement en combustible. Il a été envisagé de faire fonctionner la pile en "régime fermé", et de réinjecter l'hydrogène à l'entrée de celle-ci à l'aide d'un circulateur ; il est ainsi possible de faire fonctionner la pile avec des purges beaucoup plus espacées, servant à éliminer l'azote provenant de la partie cathode dans le cas des piles ou le comburant est de l'oxygène fourni par une circulation d'air ; un autre avantage de la recirculation est que le brassage des gaz permet une meilleure répartition de l'hydrogène lorsqu'il y a beaucoup d'azote, et améliore le fonctionnement avec un mélange d'hydrogène-azote, en évitant un phénomène de stratification.
La mise en oeuvre d'une recirculation souffre cependant d'inconvénients : l'un est qu'un recirculateur est une machine tournante complexe, soumise à des conditions de fonctionnement délicates (présence possible d'eau à l'état liquide résultant d'une condensation) ; un autre inconvénient est qu'une circulation continue ne permet pas toujours d'éliminer totalement l'eau à l'état liquide des cellules, car le mouvement de gaz créé n'est pas toujours suffisamment brutal.
L'invention a pour but de créer des purges brutales (c'est-à-dire avec une chute de pression relativement importante et rapide), tout en limitant autant que cela est possible les pertes en gaz du circuit purgé, par exemple les pertes en hydrogène dans les circuits d'hydrogène, et les pertes en oxygène dans les circuits d'oxygène.
A cette fin, l'invention concerne un procédé de purge de circuit de gaz de pile à combustible dans laquelle on introduit au moins un gaz provenant d'une alimentation en gaz à une entrée de circuit de gaz de la pile et on évacue des produits résiduels à une sortie d'évacuation ou de purge de circuit de gaz de la pile, procédé selon lequel on évacue à intervalles réguliers ou non, par la sortie, au moins de l'eau à l'état liquide se trouvant dans le circuit de gaz, caractérisé en ce que, la pile étant reliée à une capacité par au moins des moyens de liaison reliant la sortie de la pile à une entrée de la capacité, et les pressions de gaz dans des régions de référence respectivement de la pile et de la capacité étant momentanément approximativement égales, on diminue la pression de gaz dans la pile et dans la capacité, puis on établit, à partir de gaz provenant de l'alimentation, un courant de gaz à croissance rapide passant par les moyens de liaison, de la pile à la capacité, afin de transporter simultanément de l'eau à l'état liquide contenue dans la pile, dans la capacité.
Le procédé peut de plus présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • pour égaliser approximativement les pressions dans la pile et dans la capacité, on interrompt l'arrivée de gaz provenant de l'alimentation à l'entrée de la pile, puis on diminue la pression dans la capacité et dans la pile, typiquement jusqu'au voisinage de la pression atmosphérique, en laissant la pile consommer du gaz de la pile et de la capacité sans réalimenter la pile en gaz, et on réalimente la pile pour faire remonter la pression dans celle-ci, et enfin on remet en communication la pile et la capacité en dégageant les moyens de liaison ;
L'invention concerne également un dispositif qui comporte une pile à combustible comportant au moins deux circuits de gaz dont au moins l'un comporte une entrée de circuit de gaz reliée par un circuit d'entrée à une alimentation en gaz et une sortie d'évacuation ou de purge de circuit de gaz, et une capacité comportant une entrée reliée à la sortie de la pile par des moyens de liaison.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, de modes de mise en oeuvre et de formes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins joints dans lesquels :
  • les figures 1 à 7 sont des schémas par blocs respectivement de sept dispositifs de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, sur lesquels les mêmes références numériques sont affectées aux éléments se correspondant d'une figure à une autre, et
  • la figure 8 est une courbe représentative de la tension délivrée par une pile à combustible en fonction du temps écoulé depuis sa mise en service, respectivement pour une pile à laquelle on ne fait pas subir de purge, pour une pile purgée périodiquement selon la technique antérieure, et pour une pile purgée périodiquement selon l'invention.
Les figures montrent une pile à combustible 1, comportant une entrée 11 de circuit de gaz par laquelle un gaz permettant le fonctionnement de la pile et provenant d'une alimentation en gaz (non représentée) est introduit dans celle-ci, et une sortie 12 d'évacuation de gaz ou de purge par laquelle une éventuelle partie résiduelle de gaz qui n'a pas été utilisée, ainsi que de l'eau à l'état liquide qui a traversé la membrane de la pile, sont évacués, cet éventuel gaz résiduel et cette eau constituant des obstacles à la libre circulation du gaz neuf. Dans les exemples qui suivent, le circuit de gaz est un circuit d'hydrogène, et l'on peut avoir, en tant que gaz résiduels, de l'hydrogène, et comme on le verra de l'azote.
Selon l'invention, la sortie 12 de la pile 1 est reliée à une entrée d'une capacité 2 dont le volume est de l'ordre de celui du compartiment anodique de la pile, par des moyens de liaison 3 comprenant un conduit 30. A intervalles réguliers ou non, on égalise approximativement les pressions dans au moins une région de référence de la pile située entre entrée 11 et sortie 12, et de la capacité, à une valeur P ; puis on diminue la pression de gaz au moins dans la capacité 2, ensuite on établit, à partir de gaz provenant de l'alimentation, un courant de gaz à croissance rapide, passant par les moyens de liaison, de la pile à la capacité, afin de transporter simultanément de l'eau à l'état liquide contenue dans la pile, dans la capacité ; après quoi, on évacue l'eau à l'état liquide de la capacité.
Dans beaucoup de cas, il est pratique que, la valeur P étant supérieure à la pression atmosphérique, la valeur de pression pour laquelle on établit le courant de gaz soit approximativement égale à la pression atmosphérique.
Les valeurs qui suivront, données à titre d'exemple, correspondent à une pile à combustible de 30kW et dont le volume interne est de 24 litres.
Sur la figure 1, les moyens de liaison 3 comprennent, outre le conduit 30 de sortie de la pile, une vanne 31 de sortie interposée dans ce conduit, et présentent des pertes de charge aussi faibles que possible ; en fonctionnement normal (entre les purges), cette vanne 31 peut être ouverte ou fermée ; dans le circuit d'entrée 4 de la pile 1 reliant la pile à une alimentation en gaz (non représentée), une vanne 41 est raccordée à l'entrée 11 de la pile ; en fonctionnement normal (entre les purges), cette vanne 41 est ouverte. En vue de procéder à la purge, on ouvre la vanne 31 de sortie si elle est initialement fermée, puis, successivement
  • on interrompt l'arrivée de gaz provenant de l'alimentation, à l'entrée 11 de la pile, et pour cela on ferme la vanne d'entrée 41 ; par suite de la consommation du gaz présent par la pile, qui n'est pas réalimentée, la pression qui était initialement P dans la pile 1 et la capacité 2 diminue jusqu'à P-ΔP ; dans l'exemple choisi, la chute de pression ΔP est de l'ordre de 0,1 bar toutes les deux secondes ;
  • quand ΔP atteint une valeur prédéterminée de l'ordre de 0,1 bar à 0,6 bar, on isole la capacité de la pile et pour cela on ferme la vanne de sortie 31, et on réalimente la pile et pour cela on ouvre immédiatement la vanne d'entrée 41, ce qui entraíne une remontée de pression dans la pile 1 ;
  • enfin, quand la pression dans la pile 1 a retrouvé sa valeur initiale P, on remet en communication la pile et la capacité et pour cela on ré-ouvre la vanne de sortie 31, ce qui provoque un courant de gaz à croissance rapide vers la pile et, en passant par les moyens de liaison 3, de la pile à la capacité, transportant de l'eau à l'état liquide contenue dans la pile, jusque dans la capacité 2 ; il suffit ensuite de purger la capacité pour en évacuer l'eau, au moyen d'un organe de purge 21 pouvant être également une vanne.
Sur la figure 2, les moyens de liaison 3 comprennent un conduit de sortie 30 mais pas de vanne de sortie, car les pertes de charge du circuit d'entrée 4 comportant la vanne d'entrée 41 sont supposées suffisamment faibles pour ne pas opposer de limitation aux transferts de gaz. Dans ce cas, en vue de la purge, on interrompt l'arrivée de gaz à l'entrée de la pile et pour cela on ferme la vanne d'entrée 41, on attend comme dans le cas de la figure 1 que la pression baisse de ΔP dans la pile 1 et dans la capacité 2, et on réalimente la pile et pour cela on ouvre la vanne d'entrée 41, ce qui provoque un courant de gaz à croissance rapide vers la pile, dans la pile, et de la pile à la capacité, transportant de l'eau contenue dans la pile. Si les pertes de charge dans le circuit d'entrée 4 sont trop élevées, une capacité tampon 42 peut en variante être disposée dans ce circuit, en amont de la vanne d'entrée 41 (en traits interrompus sur la figure 2), pour emmagasiner du gaz neuf en quantité et à une pression prédéterminées.
Dans les deux exemples qui viennent d'être décrits, la fréquence des purges de la pile 1 n'est limitée que par la rapidité de la consommation de gaz dans la pile. De plus, les turbulences créées par les mouvements brutaux du gaz peuvent améliorer le fonctionnement en présence d'azote. Cependant, si une trop grande quantité d'azote est présente, il est nécessaire d'effectuer une purge du surplus d'azote. On détecte la présence d'une trop grande quantité d'azote par la constatation d'une baisse de performances de la pile au moment de la chute de pression. Dans le premier exemple, la présence de la capacité 2 permet de limiter les pertes d'hydrogène, car pour purger l'azote, on ferme la vanne 31 séparant la capacité 2 et la pile 1, et on ouvre la capacité 2 vers l'extérieur, ce qui évacue une partie du mélange appauvri en hydrogène qui s'y trouve (le tiers pour un fonctionnement à 1,5 bars) ; lors du retour aux conditions de fonctionnement normal, on augmente le taux d'hydrogène dans la partie anode, et on remplace une partie du mélange appauvri par de l'hydrogène neuf (1/6ème ici).
Sur la figure 3, les moyens de liaison 3 comprennent à nouveau un conduit de sortie 30 et une vanne de sortie 31 interposée dans ce conduit ; de plus, la capacité 2 comporte une sortie 22 reliée par un circuit de retour 5 à la pile 1, afin d'y réinjecter l'hydrogène contenu dans la capacité, au lieu de l'évacuer de la capacité au moyen de l'organe de purge 21 qui sert alors uniquement à évacuer l'eau et l'azote ; à cette fin, le circuit de retour 5 comporte une pompe 50 interposée dans un conduit 51 du circuit de retour reliant la sortie de la capacité ici au circuit d'entrée 4 ; un organe de purge 52 est également relié à la sortie de la pompe 50.
Le dispositif représenté sur cette figure 3 permet d'effectuer des purges violentes et régulières tout en remettant l'hydrogène en circulation puisqu'on diminue la pression dans la capacité 2 au moyen de la pompe 50 par laquelle on réinjecte l'hydrogène contenu dans la capacité, par exemple en amont de la pile 1 (à proximité immédiate de l'entrée 11 ou plus en amont), ou même en aval de la pile mais en amont de la vanne de sortie 31 (en trait interrompu sur la figure 3), l'hydrogène étant alors réintroduit dans la pile par la sortie 12 de celle-ci. Avec ce dispositif, on ferme la vanne de sortie 31, et on diminue la pression dans la capacité jusqu'à la valeur P-ΔP ; lorsque l'on atteint cette valeur, on ouvre la vanne de sortie 31, et ainsi on établit un courant de gaz à croissance rapide de la pile à la capacité, transportant de l'eau à l'état liquide contenue dans la pile, dans la capacité, en vue de son évacuation.
Ce dispositif et ce procédé permettant une recirculation de l'hydrogène imposent l'entretien d'une pompe. Cependant, cette solution présente pour avantage, par rapport à la technique antérieure faisant appel à un circulateur, que la pompe n'a pas à faire circuler de grandes quantités d'hydrogène sous un faible ΔP, mais simplement à faire chuter la pression dans la capacité dans l'intervalle de temps qui sépare deux purges. Dans le même exemple que précédemment (pile de 30kW et 24 l), avec une purge toutes les deux minutes sous une différence de pressions de 0,5 bar, le débit est de 6 Nl/mn, et peut ainsi être assuré par une pompe miniature de quelques watts. Mais l'avantage fondamental de ce dispositif et de ce procédé est que l'on ne met pas la pile en dépression au cours de la purge, et qu'il n'y a donc aucune baisse de performances même légère au cours de cette mise en dépression, sauf quand la capacité reçoit de l'azote, ce qui permet de détecter le moment où la capacité doit être purgée.
Les dispositifs des figures 1, 2 et 3 nécessitent de purger la capacité pour éliminer l'azote et diverses impuretés ; ils peuvent être munis, afin de ne réinjecter dans la pile que de l'hydrogène et de purger les impuretés avec une perte minimum de ce gaz, de moyens de purification par exemple au palladium, à membrane organique ou à tamis moléculaire.
Sur la figure 4, les moyens de liaison 3 comprennent un conduit de sortie 30 et une vanne de sortie 31 du type à trois voies. La capacité 2 est munie d'un appareil de séparation 23 ici à membrane pour récupérer l'hydrogène présent dans celle-ci. La sortie de cet appareil 23 est reliée par un circuit de retour 5 comprenant un conduit 51 à une deuxième entrée (troisième voie) de la vanne 31. Le dispositif comporte également une vanne d'entrée 41 dans son circuit d'entrée 4, et un organe de purge 21 pour la capacité, tel qu'une vanne. Le procédé mis en oeuvre dans ce dispositif qui est un perfectionnement de celui de la figure 1, est le suivant : en vue de la purge, on ferme la vanne d'entrée 41, et on met l'entrée de la vanne de sortie 31 en communication avec la sortie 22 de l'appareil de séparation 23 de telle sorte que la pile 1 aspire le contenu de la capacité 2 à travers la membrane de l'appareil de séparation 23 ; on attend que la pression dans la capacité atteigne la valeur P-ΔP ou se stabilise à une valeur supérieure (ce qui signifie alors qu'il n'y a presque plus que de l'azote et des impuretés dans la capacité) ; puis on ferme la vanne de sortie 31 et on ouvre la vanne d'entrée 41 ; après quoi on purge la capacité si la pression s'est stabilisée à une valeur supérieure à P-ΔP (ou à une valeur prédéterminée), pour éliminer au moins une partie des impuretés ; ainsi, on atteint une valeur P-ΔP (par exemple voisine de la pression atmosphérique) dans la capacité ; enfin, on met l'entrée de la vanne de sortie 31 en communication avec l'entrée de la capacité par le conduit de sortie 30, et ainsi on purge la pile comme cela est décrit pour le dispositif de la figure 1.
En variantes (non représentées) :
  • on peut brancher en sortie de purge de la capacité, une pompe d'aspiration des impuretés permettant d'atteindre une pression plus faible dans la capacité et d'éliminer plus d'impuretés ;
  • on peut remplacer la vanne de sortie 31 à trois voies par une vanne conventionnelle et deux clapets, à savoir un clapet de retour pour le pompage d'hydrogène (sens allant de l'appareil de séparation 23 vers la pile), et un clapet de purge (sens allant de la pile vers la capacité).
Sur la figure 5, représentant un dispositif qui est un développement de celui de la figure 2, où les moyens de liaison comprennent un conduit de sortie 30 mais pas de vanne de sortie ; en effet, la vanne de sortie est ici remplacée par un clapet principal 32 dont le sens passant va de la pile 1 vers la capacité 2, et un circuit de retour 5 comporte un clapet 52 de retour pour le pompage d'hydrogène qui relie l'appareil de séparation 23 à l'amont du clapet principal 32 avec un sens passant allant de cet appareil 23 vers l'amont. Lors de l'aspiration, déjà décrite en relation avec le dispositif de la figure 4, le clapet 52 de pompage d'hydrogène s'ouvre et permet le transfert d'hydrogène de la capacité à la pile, ce qui diminue la pression dans la capacité ; quand il n'y a plus d'hydrogène dans la capacité, la pression baisse encore dans la pile, mais ne peut plus baisser dans la capacité ; si l'on purge la capacité, le clapet principal 32 ne s'ouvre pas dans la mesure où la pile reste à une pression plus basse que la capacité ; après que l'on a refermé l'organe de purge 21, on ouvre la vanne d'entrée 41, et ainsi on établit le courant de gaz de purge comme dans le cas de la figure 2.
Avec les dispositifs des figures 4 et 5, on peut aussi réaliser la purge de la pile sans fermer l'organe de purge de la capacité, en choisissant une géométrie de la capacité qui favorise l'effet de piston exercé par le gaz sortant de la pile ; on élimine ainsi une plus grande partie des impuretés accumulées.
Sur la figure 6, qui représente un dispositif qui est un développement de celui de la figure 3, les moyens de liaison 3 comprennent également un conduit de sortie 30 et une vanne de sortie 31 interposée dans ce conduit ; la capacité 2 est munie d'un appareil de séparation 23 d'hydrogène, à membrane ; c'est cet appareil 23 qui est relié par un circuit de retour 5 à l'entrée 11 de la pile ou au circuit d'entrée 4, ou encore en amont de la vanne de sortie 31 (en trait interrompu sur la figure 6) afin de réinjecter dans la pile l'hydrogène contenu dans la capacité, le circuit de retour 5 comprenant une pompe 50 incorporée dans le conduit de retour 51 comme décrit concernant la figure 3. Comme précédemment, l'hydrogène est donc aspiré de la capacité vers la pompe, cette fois par l'intermédiaire de la membrane sélective, et ensuite transmis de la pompe à la pile ; le procédé de purge est à cette différence près le même que celui qui a été décrit en référence à la figure 3. Comme cela est le cas pour les dispositifs des figures 4 et 5, on détecte la nécessité de purger la capacité quand la pression dans celle-ci se stabilise au-dessus de la pression habituelle.
Sur la figure 7, est représenté un dispositif qui est également une variante du dispositif de la figure 1 ; on a donc là encore une vanne de sortie 31 entre la pile et la capacité, un organe de purge 21 pour la capacité, et une vanne d'entrée 41, dans le même montage ; simplement, la vanne d'entrée 41 conventionnelle est remplacée par une vanne à trois voies dont la deuxième entrée (troisième voie) est reliée par un circuit de retour 5 comprenant un conduit 51, à la sortie 22 de la capacité.
Comme dans les cas précédents où il existe une vanne de sortie 31, celle-ci peut être en fonctionnement normal, ouverte ou fermée ; la vanne d'entrée 41 relie la pile à l'alimentation en hydrogène ; le moment venu, on inverse la position de la vanne d'entrée et ainsi on diminue la pression dans la capacité en transférant du gaz de celle-ci dans la pile ; puis, on ferme la vanne de sortie 31 si elle était ouverte ; lorsque la pression dans la capacité est descendue à la valeur choisie, on inverse la position de la vanne d'entrée 41 pour remettre la pile en communication avec l'alimentation en gaz, et on ouvre la vanne de sortie 31 et ainsi on établit un courant de gaz à croissance rapide transportant de l'eau de la pile à la capacité ; après quoi on referme la vanne de sortie 31 pour isoler la pile et la capacité, si telles sont les conditions du fonctionnement normal.
Le même type de variante peut être réalisé à partir de la figure 2, et ainsi, dans une forme de réalisation non représentée, on modifie la figure 2 en remplaçant la vanne d'entrée 41 conventionnelle par une vanne à trois voies dont la deuxième entrée est reliée par un circuit de retour à une sortie de la capacité.
Naturellement, le problème d'apparition de l'eau ne se limite pas au circuit d'hydrogène d'une pile à combustible, mais il existe aussi dans le circuit d'oxygène.
Les exemples décrits ci-dessus qui ne font pas appel à des techniques spécifiques à l'hydrogène, à savoir ceux des figures 1, 2, 3 et 7, sont applicables également au circuit d'oxygène pur de telles piles hydrogène-oxygène. D'ailleurs, la plus grande quantité d'eau présente du côté oxygène oblige à des purges plus fréquentes, mais dont la fréquence dépend comme pour l'hydrogène, de la pile ; en revanche, on est alors moins gêné par les problèmes d'accumulation d'autres gaz.
On notera que la fréquence des purges de la capacité (en eau, en azote, etc.) peut être très inférieure à celle des purges de la pile.
On peut constater l'efficacité de la mise en oeuvre de l'invention, sur la figure 8 qui montre dans plusieurs cas la tension délivrée par une pile à combustible telle que celle prise comme exemple précédemment, en fonction du temps : la courbe A représente la tension délivrée par la pile en fonction du temps lorsque l'on ne purge pas cette pile, tension dont la rapidité de la décroissance est caractéristique ; la courbe B représente la tension pour une pile identique dont on purge le circuit d'hydrogène toutes les cinq minutes, selon le procédé antérieur, en perdant de l'hydrogène à chaque purge ; la courbe C représente la tension pour une pile identique dont on purge le circuit d'hydrogène au moyen du procédé du dispositif selon l'invention illustré par la figure 1. Cette dernière courbe illustre parfaitement la constance des performances dans le temps d'une pile ainsi purgée selon l'invention.

Claims (15)

  1. Procédé de purge de circuit de gaz de pile à combustible dans laquelle on introduit au moins un gaz provenant d'une alimentation en gaz à une entrée (11) de circuit de gaz de la pile et on évacue des produits résiduels à une sortie (12) d'évacuation ou de purge de circuit de gaz de la pile, procédé selon lequel on évacue, à intervalles réguliers ou non, par la sortie (12), au moins de l'eau à l'état liquide se trouvant dans le circuit de gaz, caractérisé en ce que, la pile (1) étant reliée à une capacité (2) par au moins des moyens de liaison (3) reliant la sortie (12) de la pile (1) à une entrée de la capacité (2), et les pressions de gaz dans des régions de référence respectivement de la pile et de la capacité étant momentanément approximativement égales, on diminue la pression de gaz dans la pile et dans la capacité, puis on établit, à partir de gaz provenant de l'alimentation, un courant de gaz à croissance rapide passant par les moyens de liaison (3), de la pile à la capacité, afin de transporter simultanément de l'eau à l'état liquide contenue dans la pile, dans la capacité.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour égaliser approximativement les pressions dans la pile (1) et dans la capacité (2), on interrompt l'arrivée de gaz provenant de l'alimentation à l'entrée (11) de la pile, on diminue la pression dans la capacité et dans la pile en laissant la pile consommer du gaz de la pile et de la capacité sans réalimenter la pile en gaz, et on réalimente la pile pour faire remonter la pression au moins dans celle-ci.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour établir un courant de gaz à croissance rapide, on isole tout d'abord temporairement la capacité de la pile en obturant les moyens de liaison (3).
  4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, pour réalimenter la pile (1), on emmagasine préalablement du gaz neuf en amont de l'entrée (11) de la pile (1) tandis que l'arrivée de gaz à cette entrée est interrompue.
  5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour diminuer la pression de gaz dans la capacité (2), on isole la capacité de la pile (1) en obturant les moyens de liaison (3), et on pompe du gaz de la capacité et on le transfère dans la pile à travers un circuit de retour (5) qui le réinjecte en amont ou en aval de la pile.
  6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de la diminution de pression dans la capacité (2) et la pile (1), on fait passer une partie du gaz dans la capacité vers la pile à travers un appareil de séparation de gaz, et si la pression dans la capacité ne descend pas jusqu'à une valeur prédéterminée, on purge la capacité, puis on établit le courant de gaz à croissance rapide.
  7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on diminue la pression de gaz au moins dans la pile et la capacité (2) jusqu'à atteindre une valeur prédéterminée voisine de la pression atmosphérique.
  8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une pile à combustible (1) comportant au moins deux circuits de gaz dont au moins l'un comporte une entrée (11) de circuit de gaz reliée par un circuit d'entrée (4) à une alimentation en gaz et une sortie (12) d'évacuation ou de purge de circuit de gaz, et une capacité (2) comportant une entrée reliée à la sortie (12) de la pile par des moyens de liaison (3).
  9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit d'entrée (4) comporte une vanne d'entrée (41) pour provoquer et interrompre sélectivement l'arrivée de gaz à l'entrée de la pile.
  10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de liaison (3) comprennent une vanne de sortie (31) pour faire communiquer et isoler sélectivement la pile et la capacité.
  11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de retour (5) partant d'une sortie (22) de la capacité (2) pour réinjecter du gaz de la capacité dans un conduit à proximité de l'entrée ou de la sortie de la pile (1).
  12. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 11 caractérisé en ce qu'il comporte au moins une vanne (31, 41) à trois voies dont une entrée est reliée à une sortie (22) de la capacité par un conduit de retour (51).
  13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une vanne (31) à trois voies dont une entrée est reliée à une sortie (12) de la pile.
  14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une vanne (41) à trois voies dont une sortie est reliée à une entrée (11) de la pile.
  15. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 14 caractérisé en ce que la capacité (2) comporte un appareil (23) de séparation de gaz.
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